JPS5917380Y2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、オートクレーブ炉容器の内部の冷却装置に
関するものである。

たとえばガス・プレッシャー・ボンディング炉（ｇａｓ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ
）すなわちガス圧力結合炉及び高温均衡圧縮装置を含み
試料又は加工品を高圧高温で処理する装置には従来多く
の用途がある。

これ等の装置では加工品を１０００°Ｃ及び１５ 、０
００ ｐｓｉで処理している。

ただしこれ等の値は必ずしも最高の温度圧力条件ではな
い。

これ等の用途に対する適当な装置は一般に、圧力容器又
はオートクレーブ内に炉を備えている。

この炉は、加工品に熱を加えると共に、過度の温度から
容器を保護する。

この容器は炉及び加工品を所望の圧力に保つ。

多くの処理では加工品の温度が極めて均等であることが
必要である。

さもなければ加工品の差動的熱膨張から問題が生ずる。

すなわちこのような高圧高温装置の炉部分は熱を加工品
に均等に分布しなければならない。

処理を終えた後に加工空間内の加工品をできるだけ早く
冷却することが望ましい場合には、前記したような高温
高圧の容器に若干の応用例がある。

たとえば成る種の金属合金は容器内で処理した後に、た
とえば１２５０°Ｃから７５０°Ｃまで比較的急速に冷
却すると粒度が一層微細になる。

この場合若干の用途で合金の性能が向上する。

又容器の作動すなわち与えられた時限中の加熱冷却のサ
イクルの回数を増すにも一層迅速な冷却が望ましい。

現在まで高温高圧容器の一層迅速な冷却に対し提案され
た２つの研究がある。

すなわち容器内の加圧ガスの循環を促進し、又は高温の
加圧ガスをポンプにより容器から抜取り熱交換器で冷却
しそして容器にもどし、或はこれ等の両方の操作を行う
。

これ等の基本的考え方はこの考案者による米国特許第４
０２２４４６号明細書で処理しである。

又米国特許第３１６８６０７号明細書に示しであるよう
に冷却液体を圧力容器内の熱交換器に循環させそして容
器内のふん囲気を機械的に循環させる。

この考案により、容器から圧力を抜くのに必要なだけ、
容器内の加圧ガス体を容器の外部に移送するのに使う加
圧炉の迅速な冷却の促進法が開発された。

好適とする実施例ではジュール−トムソン効果は、逃散
ガスにより容器から伝わる熱の有効性を増すのに利用す
る。

ジュール−トムソン効果は、ジュール−トムソン弁と称
する多孔質のプラグ又は小さな孔を経て高圧で通る圧縮
ガス及び釈放ガスの間に温度差を生ずる現象である。

この効果を説明する方程式では２つの偏導関数を含む。

左側の式は一定の熱含量における圧力に対する温度の変
化割合である。

右側の式はその分子が一定の圧力における温度に対する
容積の変化割合と温度との相乗積から容積を差引いた差
である。

分母は一定圧力におけるモル比熱である。

等号の左側の項はジュール−トムソン係数と呼ばれる。

この係数はガスの温度及び圧力と共に変り正の値から零
を経て負の値に移る。

この係数が零である温度はジュール−トムソン逆転温度
（以下逆転温度）と呼ばれ特定のガスによって変る。

すなわちある温度以下では温度降下が起こり、それ以上
の温度では温度上昇が起こる、この境の温度すなわちジ
ュールトムソン係数が０となる温度がその気体の逆転温
度である。

ファン・デル・ワールスガスに対しては方程式は次のよ
うになる。

この式の右側の括弧内の項は正又は負である。

ａＴ７’ａｐの符号の変る逆転温度が２ａ／ＲＴｉ麹ス
よりちＴｉ−２ａ／ｂＲで゛あることは明らかである。

□この考案によれば加工品を高い温度圧力で処理す
る。

ガス圧力結合用、高温均衡圧縮用又は類似用途用の装置
が得られる。

この装置は細長い円筒形の圧力容器を備えている。

この圧力容器はさらに、加工品を囲む内部絶縁覆いと加
工品の乗る炉床とを備えている。

絶縁覆いにより囲んだ空間内に電気加熱部材を設けであ
る。

覆いにより囲んだ空間内につる巻形導管を配置しである
。

送風機のような機械的装置を配置しこのつる巻導管を過
ぎ覆い内に加圧媒体を押込み又は循環させるのがよい。

つる巻導管の一端部に連通ずる導管延長部分は、加工容
器を貫通し弁を経て大気中に又は溜めに排出する。

つる巻導管の他端部に連通ずる第２の導管延長部分は加
圧ふん囲気をつる巻導管に導くように配置しである。

つる巻導管は熱交換器を構成する。

導管への人口の場所は変えてもよいが、好適とする実施
例では圧力容器内の利用できる最も冷いガスを取入れる
ように配置しである。

ジュール−トムソン効果を利用しようとする場合には、
取入口とつる巻導管の前との間に、単に適当なオリフィ
スを備えたジュール−トムソン弁を位置させなければな
らない。

この実施例では導管への取入口は、容器内のガスが前記
したような逆転温度より低い個所に位置させなければな
らない。

ガスを冷却する予備熱交換器は取入口及びジュール−ト
ムソン弁の間に設けなければならない。

他の実施例によれば導管への取入口は容器の最も熱い部
分にあり、熱交換器は取入口及びジュール−トムソン弁
の間で容器の外部に設けである。

なお別の実施例では、容器の熱い部分に位置させた取入
口とジュール−トムソン弁又は導管のつる巻部分或はこ
れ等の両方との間の熱交換器は、容器内に位置し容器壁
の内部に衝合する別のつる巻部分を備えている。

以下この考案による冷却装置とガス圧力結合用及び高温
均衡圧縮用装置との実施例を添付図面について詳細に説
明する。

第１図に覆い４とじやへい９と加熱部材８とを備えた炉
の外側に配置した圧力容器を示しである。

加工品７は炉床６及び台脚５に支えである。とくに第１
図には底部１と倒立の帽状の殻２とを備えた圧力容器す
なわちクレープを示しである。

殻２の下部のフランジには、締付材３により殻２を底部
１に締付けることのできる穴を形成しである。

Ｏリングすなわちガスケット２１により圧力密に密封し
である。

底部１又は殻２には、たとえば不活性ふん囲気で容器の
内部を加圧する装置に連結した流入導管６６及び弁６７
を設けである。

このふん囲気はたとえば３０．０００ ｐｓｉ （約２
１０９ ｋｇ／ｃ［ｎ２）までの圧力のアルゴンである
。

殻２の厚みは含めようとする圧力と殻２の直径とによる
。

たとえば殻２は強力鋼から作る。

台脚５は、底部１の幾分上方に炉底２３を支える中空脚
２２を備えるのがよい。

脚２２及び炉底２３は炭素鋼から構成すればよい。

炉底２３には、耐火性絶縁材又は鋳造できる高含量アル
ミナから作った熱及び電気の絶縁支持体２４を取付けで
ある。

支持体２４の上部には羽根車室ブロック２５を設けであ
る。

炉床６は台脚延長部分２６の上部にある。羽根車室ブロ
ック２５に固定した固定部材２７は黒鉛製台脚延長部分
２６に確実に整合するように連関している。

台脚５はこれに接触しないで電気抵抗加熱部材８により
囲んである。

加熱部材８は、互に隣接する対を形成しこれ等の各村に
またがるキャップ８ａにより頂部を互に接合した棒材か
ら成る円筒形のケージから戊っている。

炸歯を持つ導電性環８ｂと内歯を持つ他方の導電性環８
Ｃとから成る２個の導電性環は台脚５のまわりに同心に
配置され基部を形成して各円筒形棒材を支え各村の棒材
に電流を通す。

容器の底部１を貫いて電気接続部材３５．３６を設は前
記の加熱部材に適当な電圧レベルの電流を供給するよう
にしである。

これ等の加熱部材の周辺のまわりには耐火性じゃへい９
を設けである。

しやへい９の主な機能は加熱部材から覆い４に向う直接
の外向きの放射を防ぐことである。

しやへい９は、絶縁性耐火材たとえば軽量の絶縁れんが
又は成形できる耐火材から戊っている。

しやへい９は又多重数放射しゃへいにより構成してもよ
い。

しやへい９の上部及び下部には通気口を形成しである。

しやへい９の上部の穴４５は中心部から間隔を隔てるの
がよい。

覆い４の下部では各もどし穴４６が円周方向に互に間隔
を隔てている。

炉底部２３に乗る絶縁支持体２４は、軸線方向の穴絽と
これから半径方向に延びる取入れみぞ穴４７とを形成し
である。

みぞ穴４７は、しやへい９の各もどし穴４６に整合する
ように配置しである。

羽根車室ブロック２５は、羽根車室を備えこれから延び
る複数個の半径方向排出口４９を形成しである。

羽根車室内に位置させた羽根車５０は下向きに延びる軸
５２に取付けである。

軸５２は、絶縁支持体２４と炉底部２３と脚２２と圧力
容器底部１とを貫通している。

軸５２は、たとえば米国特許第２９９６３６３号及び同
第４１０６８２５号の各明細書に記載しであるような密
封した磁気駆動ユニット内にはまっている。

この圧力容器にはたとえばねじにより円筒形の駆動ハウ
ジング５１を取付けである。

円筒形ハウジング５１はこれに軸受５４により軸架した
従動スリーブ５３により囲んである。

スリーブ５３の目的は、円周方向に磁化した希土類コバ
ルト形の円筒形磁石でよい駆動磁石５５を支えることで
ある。

ハＩクジング５１内には、前記した羽根車軸５２を接合
する又はこれと同じでよい従動軸組合わせを位置させで
ある。

この従動軸組合わせはブッシング５６及びスラスト軸受
５７により軸架しである。

従動軸組合わせには、希土類コバルト形の円筒形磁石を
好適とする従動磁石５８を取付けである。

羽根車５０を回転するときは、羽根車５０はかまふん囲
気又はガスを羽根車軸５２に沿って吸引しこのガスを加
熱部材８の付近で台脚壁及びしやへい９の間の空間内に
半径方向外向きに押込む。

このガスは加熱部材８〔各加熱部片８はこの場合加熱し
であるものとする〕を通って加熱され、このガスが炉床
６の上方の空間内に押込まれ、この空間で力スから加工
品に熱を伝える。

次でこのガスはしやへい９及び覆い４の間を通すしゃへ
い９の穴４６と絶縁支持体２４の穴４７とを経て駆動軸
５２の付近にもどる。

前記した構造はこの考案者による１９７７年６月１５日
付米国特許願第８０６７３２号明細書「機械的循環装置
を持つオートクレーブがま」に記載しである構造と大体
同様である。

この考案による改良には次の構造がある。

半径方向に延びる取入れみぞ穴４７は、かまの別の部分
にこの場合かま底部２３と容器底部１との間で炉床６上
の加工品より冷たい空間に延びる延長部分６９を持つつ
る巻導管６８を設けである。

導管６８のつる巻形部分は前記したように容器の冷却中
に羽根車５０によりこのつる巻形部分を経て循環するガ
スから熱を除去する熱交換器を構成する。

導管６８はその延長部分６９の端部で容器ふん囲気を取
入れる。

導管６８の他端部は延長部分７１に連通している。

これ等は各みぞ穴４７内に設けたつる巻形導管が好適で
ある。

これ等の導管は各連通延長部分を経てマニホルド７０に
接合しである。

排出導管すなわち延長部分７１は容器の外部の排出弁７
３にマニホルド７０から通じている。

第１図に例示した実施例は次のように作用する。

加熱はほぼ前記した通りである。冷却時にすなわち加熱
部材８へのエネルギーのしゃ断接に、加圧ガスを延長部
分６９の流入口内に又つる巻管を経て吸引する。

羽根車５０を作動し高温の炉ガスをみぞ穴４７を経て循
環させることによりつる巻導管を加熱する。

熱はつる巻導管を経て正常な減圧工程で容器から出る加
圧ガスに伝わる。

このようにして除いたガスは加工品の温度近くまで又は
加工品の温度まで加熱することにより、与えられた質量
のガスによって容器から除く熱量を増す。

好適とする実施例によれば取入口は導管内に吸引する加
圧ガスがジュール−トムソン効果の逆転温度以下である
場所に位置させる。

この実施例では導管の取入口とみぞ穴４７内に位置させ
た導管つる巻形部分との間に設けたジュール−トムソン
弁又７２はオリフィスに不可逆断熱膨張が起る。

加圧ガスをジュール−トムソン弁を経て押出すと、この
ガスは、熱交換器を構成する導管のつる巻形部分内への
導入に先だって冷却する。

従ってつる巻導管の温度を上げるには一層多くの熱が必
要である。

そして単位質量の排出力゛ス当たり一層多量の熱が容器
から除かれる。

しかし導管内での膨張に先だってガスは加圧ガスの逆転
温度特性値より低い温度にあることが必要である。

もしそうでなければ膨張の結果ガスが加熱されることに
なる。

アルゴンはガス圧力結合及び高温の均衡圧縮用の加圧容
器に使う力スの例である。

２種類の有用ガスの逆転温度は次の通りである。

力゛ ス °Ｋ ’Ｃ″Ｆアルゴン
７２３ ４５０ ８４０窒素 ６２１ ３５０ ６
６０ ヘリウムはその逆転温度が５「Ｋ （−２２１’Ｃ）て
゛あるからジュール−トムソン効果で冷却するのに適当
な力スで゛はない− ガ又はつる巻導管（導管のつる巻形部分）でなるべくは
加工品の温度に加熱するから、ジュール−トムソン効果
が起るようにするには、ガスがつる巻導管に達する前に
ジュール−トムソン膨張が実質的に完全でなければなら
ない。

つる巻導管ではガスの温度は逆転温度より十分に高＜−
ｈ昇する。

従って絞り弁又はオリフィスは各導管への取入口に設け
てジュール−トムソン膨張がこれ等のつる巻導管の前で
起るようにするのがよい。

容器から排出するガスは、単に大気に排出するのでなけ
れば、熱交換器を通過し又は高温の容器排出ガスにより
溜め内に運ばれる熱を散逸させることのできる溜めに送
らなければならない。

又容器に室温に近い温度を持つ付加的加圧ガスを導入し
て、圧力低下を確実に遅らせる間に冷却過程を加速する
ことができる。

６０’ Ｃ／ｍｉｎを越える冷却割合は、加圧ガスを導
入してこの実施例に対し前記したように容器内に生じさ
せる。

空気循環だけを行う同じ容器は２０ないし４０°Ｃ／ｍ
ｉｎの程度の冷却割合になる。

羽根車による循環を生じさせなければ冷却割合は５ない
し２０°０／ｍｉｎになる。

第１図について述べた実施例により生ずる冷却割合は不
適当であるか、又は容器内に温度がジュール−１〜ムソ
ン冷却の逆転温度以下の場所がないか、或はこれ等の両
方である場合があるかもしれない。

第２図に示した実施例では導管６９が容器から熱交換器
に通じ次で導管７７を経て容器にもどり、容器内でみぞ
穴４７内に位置するつる巻導管６８ ａにつながる。

ジュール−トムソン効果を使うためには、ジュール−ト
ムソン弁を外部熱交換器７６と導管つる巻部分との間に
位置させる。

このようにして容器から取出す単位質量のガスごとに、
先ず熱交換器７６内で熱を移換し次で温度降下中に容器
から熱を運び去ることにより熱を除く。

この実施例ではかまの最も冷たい部分に導管の取入口を
位置させることは必要がないし又はむしろ望ましくない
。

実際上導管の取入口はかまの最も熱い部分に位置させる
ことが望ましい。

この実施例の構造は、ジュール−トムソン効果を利用す
ることが望ましくない場合にも使える。

容器内の圧力は、先ず外部熱交換器７６を経て次でつる
巻導管から成る内部熱交換器を経て大気中又は溜めにふ
ん囲気を逃がすのに使う。

逃散ガスを循環させ冷却するのにポンプの必要はない。

第３図に示すようにこの考案の第３の実施例は第２図の
実施例に極めて類似している。

主な違いは、排出ガスを冷却する熱交換器が容器の内部
にあることである。

この熱交換器は圧力容器壁の内部にこれと密接に接触し
てつる巻状に巻いた導管から戊っている。

この考案の実施に必要な１つの構造上の考え方は、取入
口又はジュール−トムソン弁（同一のものである）或は
これ等の両方を越えた導管の強度である。

この導管内の圧力は容器圧力より実質的に低くて、導管
は差動圧力により押しつぶされないように十分な厚みを
持たなければならない。

導管は云うまでもなく高い熱伝導率を持ち有効な熱交換
壁にならなければならない。

以上この考案をその実施例について詳細に説明したがこ
の実施例はこの考案の精神を逸脱することなく種々の変
化変型を行い得ることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案冷却装置の第１の実施例を備えたオー
トクレーブ炉の軸断面図、第２図は本冷却装置の第２の
実施例を備えたオートクレーブ炉の軸断面図、第３図は
本冷却装置の第３の実施例を備えたオートクレーブ炉の
軸断面図である。 １・・・・・・底部、２・・・・・・殻、４・・・・・
・覆い、５・・・・・・台脚、６・・・・・・炉床、８
・・・・・・加熱部材、２４・・・・・・絶縁支持体、
４１・・・・・・取入れみぞ穴、４９・・・・・・排出
口、５０・・・・・・羽根車、６８・・・・・・導管、
６８ ａ・・・・・・つる巻導管、６９・・・・・・導
管延長部分、７３・・・・・・しゃ新井、７６・・・・
・・熱交換器。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. オートクレーブ炉容器の内部を、これがガスで加圧され
   て加熱された後に冷却する冷却装置において、一端部は
   オートクレーブ炉容器内部に比較的冷たい個所で開口し
   、他端部は外部しゃ断弁に開口し、比較的熱い個所につ
   る巻形部分を持つ熱伝導導管と、この熱伝導導管内にそ
   の前記つる巻形部分の取入口側に設けたジュール−トム
   ソン弁とを備えることにより、逆転温度より低い温度の
   炉ガスを前記熱伝導導管に押し込み、前記ジュール−ト
   ムソン弁を通る際に冷却し、前記外部しゃ断弁を経て排
   出する前に前記つる巻形部分内で加熱するようにして成
   る冷却装置。